Choisir le bon substrat.

Lors de la formation de rosée, le substrat choisit est le principal paramètre sur lequel nous pouvons agir. Dans cette partie, sont exposés les différents mécanismes par lesquels le substrat peut influer l'abaissement de la température en dessous du point de rosée, l'écoulement de l'eau et le phénomène de condensation.

L'émissivité.

Les corps reçoivent et émettent de l’énergie par transfert radiatif. Lorsqu’un corps émet plus d’énergie par rayonnement qu’il n’en reçoit, la perte d'énergie se traduira par un abaissement de sa température.

Le jour, les surfaces à l’extérieur reçoivent le rayonnement du soleil, le bilan radiatif à tendance à élever leurs températures bien au-dessus de la température critique nécessaire à la condensation. La nuit, les surfaces extérieures reçoivent de l’énergie radiative uniquement de la part des objets qui les entourent et des nuages. Un condenseur peut évacuer une grande partie de son énergie et il y a refroidissement radiatif

Le transfert radiatif d'énergie q

IR

dépend de la surface du condenseur S

c

, de sa température T

c

, de son émissivité ε

c

et de l’émissivité du ciel ε

s

:

               

L'émissivité ε désigne la capacité d'un matériau à dissiper de l'énergie par rayonnement radiatif. Plus cette émissivité est élevée, plus un matériau peut se refroidir par transfert radiatif. On choisira donc le substrat pour son émissivitée élevée. Pour plus de détail, vous pouvez consulter notre rapport de fin de stage sur l'émissivité.

Propriétés de mouillages.

Tous les matériaux ne réagissent pas de la même manière en contact d'un liquide, leurs propriétés hydrophobes ou hydrophiles influent sur leurs capacités à être de bon substrat pour la récolte de la rosée.

Le mouillage d'un liquide sur un solide désigne la forme que prend ce liquide sur un substrat et la façon dont il se comporte lorsqu'on le fait couler. Cette propriété n'est pas propre à un matériau en particulier, mais à la combinaison d'un solide, d'un liquide et d'un gaz. Les changements de comportement observés s'expliquent par les tensions superficiels entre les trois interfaces formées qui différent selon les composants.
Un des moyens d'étudier les propriétés de mouillage est de mesurer l'angle de raccordement entre un liquide et un solide.

                                                                      


Mesure de l'angle de contact.

Le montage suivant nous permet de mesurer l'angle de contact sur un substrat.

                                                        

A l'aide d'une seringue le liquide peut être déposé goutte à goutte ou aspiré sur le solide. Une caméra couplée à une lunette permet récupérer une image agrandie de la goutte afin de mesurer l'angle entre la surface du liquide et celle du substrat. La surface peut être inclinée afin de mesurer l'angle de reculée et l'angle d'avancée d'une goutte, qui sont respectivement l'angle le plus petit et l'angle le plus grand pour lesquelles la goutte reste accrochée. Lorsque l'angle de contact est faible, l'eau à tendance à s'étaler sur la surface et on dit du substrat qu'il est hydrophile. A l'inverse, les substrats où les gouttes s'étalent difficilement et prennent la forme de perle sont dit hydrophobes. Une hotte à flux laminaire évite que des particules se déposent sur la surface et faussent la mesure. Dans la même optique, il est important de nettoyer le substrat avant la manipulation.

Nous avons mesuré les angles d'avancée et de reculée d'une gamme de substrat, voici les résultats obtenus:

Substrat Avancés Reculés
Plexiglas 81° 20°
Inox 78° 32°
Cuivre 108° 47°
Laiton 84° 33°
Aluminium 83° 14°
PVC 91° 11°
Teflon 95° 67°

L'intérêt des surfaces hydrophiles.

Lorsque l'eau se condense dans un environnement sec, elle commence par former de petites gouttes thermodynamiquement stables. On parle de nucléation. Si une goutte est trop petite, les forces de cohésion sont insuffisantes à la maintenir. Atteindre un rayon critique où une goutte est stable nécessite de lui apporter une énergie libre de nucléation. Lors de la formation d'une goutte sphérique, comme c'est le cas des gouttes qui forment le brouillard où les nuages, on parle de nucléation homogènes. Cette nucléation ne se produit que lorsque l'air est fortement chargé en vapeur d'eau.

Dans le cas de la rosée, les gouttes se forment sur une surface, il s'agit d'une nucléation hétérogène et la barrière d'énergie à franchir s'en trouve abaissée. Les propriétés de mouillage du substrat sur lequel la nucléation se produit influent sur l'énergie nécessaire à la nucléation. La relation entre le taux de nucléation et l'angle de contact θc est décrit par la relation :

                                

Plus l'angle de contact est faible, plus l'énergie nécessaire a la nucléation est basse. Un substrat hydrophile facilite donc la formation de rosée.

Incliner le condenseur permet de récupérer la rosée par écoulement gravitaire. Lorsqu’une goutte a atteint une taille critique, elle s'écoule et libère de la place pour la formation d'une nouvelle. L'eau qui n'est pas récupérée le matin s'évapore, les propriétés de mouillage du substrat doivent donc faciliter l’écoulement afin de minimiser les pertes. Le deuxième avantage d'un substrat hydrophile est que l'eau s'y écoule plus facilement.

Résultats

Nous avons placé, sur le toit du laboratoire, différentes plaques composées de matériaux communs, que l'on pourrait éventuellement considérer pour fabriquer un condenseur de rosée de taille industrielle. Il y a donc d'une part les métaux : Cuivre, Aluminium, Inox, Laiton ; et d'autre part les plastiques : Plexiglas©, Téflon, PVC. Nous avons récolté, sur plusieurs mois, la rosée sur chacune de ces plaques et ainsi calculer le rendement de chacune. Voici les résultats :

 Matériau   Rendement   Emissivité   ChaleurSpécifique 
 Cu   0,01302   0,6   380 
 Alu   0,01093   0,3   31,75 
 Laiton   0,03119   0,5   418 
 Plexi 2mm   0,14277   0,86   1400-1500 
 Teflon   0,14179   0,93   1000 
 PVC gris    0,12345   0,92   1000-1500 
 Inox   0,02717   0,71   502 
 verre   0,01559   0,92   720 
 PVC ivoire   0,06153   0,92   1000-1500 
 plexi 3mm   0,06149   0,86   1400-1500 

Les résultats sont sans appels: les plastiques sont, de loin, beaucoup plus efficaces dans la quantité d'eau récoltée que les métaux.

Grâce aux différentes informations, nous sommes ainsi en mesure de déterminer quels sont les paramètres importants :

– Tous les plastiques ont une émissivité importante ( voir chapitre Émissivité ) tandis que les métaux ont une émissivité faibles : les résultats expérimentaux permettent ainsi de confirmer qu'un substrat ayant une capacité d'émettre plus grande est de loin le plus adapté.

- Les plastiques ont généralement une capacité thermique plus élevée que les métaux, c'est-à-dire qu'il faut plus d'énergie, donc de rayonnement, pour élever leur température. Cet aspect physique est donc aussi fondamental.

- Grâce aux angles de contact, nous avons pu montrer que nos substrats plastiques sont plus hydrophiles : ce paramètre est également à prendre en compte pour optimiser la rosée.

Voici un aperçu de nos échantillons de matériaux sur lesquels sont avons fait nos expériences. (de gauche à droite et de haut en bas: le cuivre, nos plaques disposées sur le toit, l'aluminium, le cuivre, le Plexiglas©, le téflon, le PVC et l'inox)

                                          

PLAN DE LA PAGE

I. L'émissivité



II. Propriétés de mouillage



III. Angle de contact



IV. Resultats